Теория и принципы построения
датчиков, приборов и систем
УДК 681.586'33
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ РАСХОДОМЕРОВ
Вельт И. Д., Михайлова Ю. В.
Рассмотрены методы масштабных исследований электромагнитных расходомеров, необходимость в которых возникает при разработке новых типов приборов. Приведено сравнение возможности испытаний приборов с помощью проливных расходомерных установок и с применением методов имитационного моделирования.
Сигнал, возбуждаемый на электродах электромагнитного расходомера (ЭМР), пропорционален интегральному значению распределения скорости потока по поперечному сечению канала, т. е. объемному расходу. Это свойство не характерно для других преобразователей расхода, в которых измеряемой величиной чаще всего является локальная скорость потока. В электромагнитном расходомере обеспечивается прямое преобразование расхода в электрический сигнал; в канале прибора отсутствуют элементы конструкции, препятствующие потоку и искажающие эпюру скоростей. Показания электромагнитных расходомеров практически не зависят от изменения физических свойств измеряемой среды: плотности, вязкости, электропроводности, весьма мало зависят от распределения скорости потока в канале. Последние разработки показали уникальную возможность не только измерять потоки со сложным профилем скорости, но и отображать на дисплее кинематическую структуру потока и определять ее количественные характеристики.
Поэтому, когда становится актуальной задача повышения точности и надежности измерения расхода, решение ее в первую очередь связывается с электромагнитным методом измерения. Следовательно, существует тенденция к расширению области применения ЭМР (особенно для режимов со сложным профилем потока и неоднородным составом среды) и все острее возникает проблема экспериментального исследования приборов.
Одной из основных причин, сдерживающих развитие электромагнитных расходомеров, являет-
ся несовершенство метрологического обеспечения.
При исследовании и разработке ЭМР возникают три группы технических вопросов, ответы на которые желательно получить экспериментальным путем. К первой группе относятся вопросы, определяющие выбор элементов конструкции первичного преобразователя: геометрия канала, протяженность изолированного участка, размеры и форма электродов, конструкция индуктора и других элементов прибора. Вторую группу составляют вопросы, относящиеся к зависимости сигнала от структуры потока жидкости, например, влияние изменения профиля скорости по сечению канала, влияние неоднородности фазового распределения измеряемой среды в рабочем сечении канала и т. п. К третьей группе отнесем вопросы, касающиеся влияния помех механической и электромагнитной природы.
Экспериментальным путем получить ответы на перечисленные выше вопросы возможно только в том случае, если имеются соответствующие метрологические средства, позволяющие детально исследовать влияние каждого из факторов, определяющих метрологическую характеристику прибора, в отдельности.
Возможны два метода экспериментального исследования расходомеров: проливный, основанный на использовании расходомерной установки, и беспроливный с применением средства имитационного моделирования расходомеров.
Рассмотрим эти методы с точки зрения применимости их для масштабных исследований
электромагнитных расходомеров, т. е. исследований в указанном выше объеме.
ИССЛЕДОВАНИЯ С ПОМОЩЬЮ РАСХОДОМЕРНОЙ УСТАНОВКИ
Допустим, что у нас имеется эталонная проливная расходомерная установка достаточно высокой точности. На этой установке измеряемой средой является чистая водопроводная вода в узком диапазоне температуры, на мерном участке установки обеспечивается осесимметричная кинематическая структура потока жидкости, сглажены пульсации скорости и т. п. Однако нам не известно множество других факторов, определяющих структуру потока непосредственно в измерительном сечении канала расходомера, а именно: характер и распределение по сечению канала осевой и тангенциальной скоростей потока, углов смачивания на различных участках поверхности канала, состояние пограничного слоя на этих участках, уровень и полярность ЭДС-поляризации, тер-мо-ЭДС, амплитуд, фаз спектра гармоник помех промышленной частоты и т. п. Нам также не известны их изменения во времени. Если их и можно искусственно изменять, то только в узкоограниченных пределах, и при этом опять же остаются неизвестными их действительные значения. В зависимости от состояния смоченности поверхности канала распределение скорости потока различно. При углах смачивания более 90° жидкость не "прилипает" к поверхности канала, а скользит по ней. Выраженная гидрофобность отдельных участков поверхности канала приводит к нестабильному и существенному перекосу (асимметрии) распределения скорости потока в канале. Следует обратить особое внимание на качество воды, значение ее жесткости. Вода всегда имеет в своем составе различное количество минеральных веществ, нерастворимых солей, ржавчины и т. п. Все эти компоненты постепенно создают на поверхности канала тонкий налет, существенно снижающий угол смачивания, доводя поверхность канала до гидрофильного состояния. И только когда вся поверхность становится полностью смоченной, пограничный слой формируется на всей поверхности канала, структура потока становится осесимметричной и стабильной, что в конечном итоге приводит к стабильной работе прибора.
Время выхода вновь изготовленного прибора на стабильный режим составляет от нескольких часов до нескольких суток непрерывной работы на расходомерной установке. Эффекты, вызываемые временной гидрофобностью поверхности канала, особенно существенны для расходомеров малого диаметра (10...40 мм), для которых погра-
ничный слой составляет значительную долю поперечного сечения канала, а также потому, что распределение магнитного поля у этих приборов близко к однородному. Расходомеры с однородным магнитным полем, как известно, особенно чувствительны к асимметрии профиля потока. У расходомеров с Бу = 50...100 мм эти эффекты проявляются в меньшей степени. Расходомеры с Бу более 200...300 мм практически не чувствительны к эффектам, связанным с гидрофобнос-тью изоляционного покрытия трубы.
Проливная расходомерная установка по принципу своей работы не позволяет изменять условия измерений, т. е. менять плотность измеряемой среды для исследований зависимости показаний прибора от числа Рейнольдса, изменять асимметрию структуры потока, вводить помехи механического и электромагнитного происхождения. Следовательно, на расходомерной установке сложно проводить в широком масштабе исследования расходомеров на определение функций влияния таких их характеристик, как изменение структуры потока и помехи различного происхождения и уровня.
На расходомерной установке весьма сложно испытывать расходомеры с целью выявления зависимости их характеристик от изменения конструкции. Например, нас интересует зависимость градуировочной характеристики прибора от неточности установки электрода. Для этого необходимо изготовить два или более образцов приборов, у которых электроды установлены на разные расстояния. Элементарные расчеты показывают, что смещение электродов вызывает незначительные изменения сигналов. Полученные различия показаний этих приборов на проливной расходомерной установке вовсе не означают, что они вызваны только изменением величины смещения электродов. Выше было сказано, что у проливной расходомерной установки имеется ряд неучитываемых факторов, которые могут быть различными при испытаниях даже одного и того же прибора в разное время. Изменения сигналов того же уровня возможны вследствие неточности изготовления остальных элементов конструкции прибора, которые по постановке эксперимента у всех приборов должны быть строго одинаковыми.
Следовательно, испытания приборов на проливной расходомерной установке с целью определения зависимости их характеристик от изменения конструктивных параметров требуют, с одной стороны, трудоемких работ по изготовлению многочисленных макетов приборов, а с другой — не позволяют получить необходимой точности измерений. Проливная расходомерная установка по
своему принципу действия консервативна и не предназначена для разносторонних исследований расходомеров. Единственным информативным параметром проливной расходомерной установки, представляемым в численном выражении, является величина расхода воды, пропущенного через канал прибора и измеренная соответствующими средствами.
ИССЛЕДОВАНИЯ С ПОМОЩЬЮ ИМИТАЦИОННЫХ МЕТОДОВ
Имитационный метод как бы специально предназначен для испытаний приборов в самых широких масштабах изменения условий измерений. С его помощью можно исследовать практически все факторы, определяющие как конструкцию расходомера, структуру потока, так и помехи различной природы. Имитационная установка для исследования ЭМР состоит из двух основных элементов: устройства для моделирования конструктивных параметров расходомера и структуры потока в его канале и устройства, моделирующего помехи электромагнитного и механического происхождений.
Основным элементом первого из этих двух устройств является преобразователь магнитного поля (ПМП), выполненный в виде индукционной катушки, витки которой распределены по так называемой поверхностной весовой функции. Поскольку поверхностная весовая функция зависит от конструкции электродов, геометрии канала, кинематической структуры потока, распределения фазового состава измеряемой среды в канале, уровня заполнения жидкостью канала при безнапорном потоке, с помощью ПМП можно исследовать метрологические характеристики расходомера при изменении каждого из вышеперечисленных факторов в отдельности или всех вместе. Для этого достаточно применить ПМП, выполненный с учетом той поверхностной весовой функции, которая отражает какой-либо исследуемый фактор или их совокупность. Поверхностная весовая функция поддается точному расчету, преобразователи магнитного поля технологичны, они изготовляются с высокой точностью автоматизированным способом с применением фотопечати и просто тиражируются.
Основным элементом второго у
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.